本发明涉及一种溶胶凝胶法改性阻燃乙烯-乙酸乙烯酯共聚物的方法，属于阻燃材料技术领域。
背景技术
乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(eva)由乙烯和乙酸乙烯酯共聚生成，将乙酸乙烯酯引入分子结构中以达到降低结晶度的目的，使eva具有优良的弹性、耐候性、与填料和色母料的相容性，并且更易于进行成型加工，因此被广泛应用于农业、汽车产业、电线电缆等领域。但eva易燃且燃烧时产生熔融滴落以及大量烟雾的特点，限制了其多方面的应用。在全世界范围内，虽然卤素阻燃剂在阻燃聚合物材料时表现出优异的性能，但是由于卤系阻燃剂在燃烧过程中会产生大量有毒的气体，会给人本身和环境带来危害，因此，无卤阻燃剂的发展不仅是为应对更高的环保要求，更是阻燃产业顺应历史的选择。
二氧化硅(sio2)基纳米复合材料因为类陶瓷颗粒在聚合物表面聚集，起到催化成炭的作用，不仅能降低热释放速率和质量损失速率，也能减少在燃烧过程中的烟释放，因而能起到较好的阻燃效果。但是气相二氧化硅堆积密度低，在高填充聚合物中添加困难，存在难以实现双螺杆挤出加工、颗粒难实现均匀分布和纳米分散以及粉末飘散引起的健康和安全等问题。期刊论文《无机纳米粒子原位复合聚氨酯研究》中对比了sio2的不同添加方法对聚氨酯性能影响，发现常温直接混合不利于sio2分散，改性效果较差。目前广泛使用的是在二氧化硅颗粒进行表面改性的方法，但是效果有限。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种溶胶凝胶法改性阻燃乙烯-乙酸乙烯酯共聚物的方法。
本发明的目的是通过上述技术问题实现的。
一种溶胶凝胶法改性阻燃乙烯-乙酸乙烯酯共聚物的方法，具体步骤如下：
一、溶胶制备：将正硅酸乙酯与蒸馏水按1:2～1:6比例混合后，在搅拌条件下加入共溶剂乙醇，加入催化剂调节ph为3～7，搅拌得到稳定透明的体系，即得溶胶。
二、溶胶凝胶法反应挤出乙烯-乙酸乙烯酯共聚物/二氧化硅母粒的制备：乙烯-乙酸乙烯酯共聚物在烘箱中60～100℃烘干2～6h后，将乙烯-乙酸乙烯酯共聚物在双螺杆挤出机中熔融挤出，在挤出过程中通过料斗向熔体中加入步骤一制得的溶胶，得到溶胶凝胶法反应挤出乙烯-乙酸乙烯酯共聚物/二氧化硅母粒。
三、将乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、步骤二制得的改性溶胶凝胶法反应挤出乙烯-乙酸乙烯酯共聚物/二氧化硅母粒、相容剂、无机阻燃剂和加工助剂先分别在烘箱中60～100℃烘2～6h后，再将它们放在高混机中混合15～30min，最后在双螺杆挤出机中进行熔融挤出，得到溶胶凝胶法反应挤出制备改性阻燃乙烯-乙酸乙烯酯共聚物；以溶胶凝胶法反应挤出制备改性阻燃乙烯-乙酸乙烯酯共聚物总质量为百分之百记，所述的乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、步骤二制得的溶胶凝胶法反应挤出乙烯-乙酸乙烯酯共聚物/二氧化硅母粒、相容剂、无机阻燃剂、加工助剂添加量分别为：30～50％、3～8％、3～8％、40～55％、0.2～1％。
步骤一所述催化剂包括氢氟酸hf、盐酸hcl、氢碘酸hi、硝酸hno3、硫酸h2so4、氯化钙cacl2或一水合氨nh4oh中的一种。
步骤二所述双螺杆挤出机的温度为100℃～140℃，喂料频率8～12rpm，主机频率为18～22rpm
所述乙烯-乙酸乙烯酯共聚物中的乙酸乙烯酯va含量为18％、28％、33％以及46％中的一种或两种。
步骤三所述的相容剂包括低密度聚乙烯ldpe、线性低密度聚乙烯lldpe、乙烯-丙烯酸乙酯eea、马来酸酐接枝改性聚乙烯g-pe、马来酸酐接枝改性聚丙烯g-pp、乙烯-辛烯共聚物poe、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝改性乙烯-辛烯共聚物poe-g-gma中的一种或两种。相容剂能有效提高乙烯-乙酸乙烯酯共聚物与无机阻燃剂以及其他协效剂间的相容性，从而改善阻燃剂在乙烯-乙酸乙烯酯共聚物中的分散性，达到改善复合材料的力学性能，提高其拉伸、冲击强度，实现高填充，改善加工流变性，减少树脂的用量，降低生产成本的目的。
所述无机阻燃剂包括：金属氢氧化物如氢氧化铝ath、氢氧化镁mh；无机磷阻燃剂如红磷、聚磷酸铵app和次磷酸铝alhp；无机盐类阻燃剂如三聚氰胺聚磷酸盐mpp、三聚氰胺氰尿酸盐mca和硼酸锌zb；无机矿物如蒙脱土、海泡石、坡缕石、勃姆石、水滑石、水镁石、水菱镁石、蛭石、硅灰石、埃洛石和碳酸钙镁石。其中的一种或几种的混合物作为阻燃剂。
所述的加工助剂为抗氧剂、流动剂和偶联剂；
所述的加工助剂为抗氧剂包括受阻酚类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂、受阻胺类抗氧剂中一种或多种；
流动剂包括硅酮类的流动改性剂、聚乙烯蜡流动剂、硬脂酸锌以及硬脂酸钙；
偶联剂包括铬络合物、硅烷类和钛酸酯类；
有益效果
1、本发明使用溶胶凝胶法在eva加工过程中在聚合物熔体内部原位生成二氧化硅颗粒，一方面利用原位生成二氧化硅在聚合物材料中实现纳米分散，使其具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应来增强界面作用，增强与无机阻燃剂的协同效应，显著提高阻燃效率，另一方面解决了添加气相二氧化硅时eva加工困难以及带来的健康安全问题。
2、本发明通过无机阻燃剂/相容剂/溶胶凝胶法原位生成乙烯-乙酸乙烯酯共聚物的纳米二氧化硅母粒的复配使用，使乙烯-乙酸乙烯酯共聚物阻燃性能得到了显著改善，同时降低阻燃乙烯-乙酸乙烯酯共聚物复合材料的成本。
具体实施方式
以下对比例和实施例中所述垂直燃烧测试依据ansi/ul94-2010标准；氧指数测试依据gb/t2406.2-2009标准；力学性能依据gb/t1040.2-2006，采用上海登杰机器设备有限公司dxll-5000电子拉力试验机；锥形量热仪测试方法采用标准astme1354的方法，热辐射通量为35kw/m2。
实施例1
一种溶胶凝胶法改性阻燃乙烯-乙酸乙烯酯共聚物的方法，各组分及质量百分含量如下表所示：(以总质量百分比为100％计)
具体步骤如下：
(1)将正硅酸乙酯与蒸馏水按1:3比例混合后，在搅拌条件下加入共溶剂乙醇，加入盐酸调节ph为3.5，搅拌得到稳定透明的体系，即得溶胶。
(2)乙烯-乙酸乙烯酯共聚物在烘箱中烘干4h后，将乙烯-乙酸乙烯酯共聚物在双螺杆挤出机中熔融挤出，在挤出过程中通过料斗向熔体中加入溶胶，双螺杆挤出机的温度为100℃～140℃，喂料频率10rpm，主机频率为20rpm；挤出熔体经过风冷后，再通过造粒机造粒得到溶胶凝胶法反应挤出乙烯-乙酸乙烯酯共聚物/二氧化硅母粒。
(3)将乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、溶胶凝胶法反应挤出乙烯-乙酸乙烯酯共聚物/二氧化硅母粒、相容剂、氢氧化铝、加工助剂先分别在烘箱中80℃烘4h后，再将它们放在高混机中混合15min，将混合后的原料送入双螺杆挤出机喂料机中，双螺杆挤出机的温度为190℃～200℃，喂料频率10rpm，主机频率为20rpm；挤出熔体经过风冷后，再通过造粒机造粒；
(4)将粒料在60℃烘干3小时，再通过注塑机注塑成型，注塑机成型时各区段温度范围应为180℃～190℃。
测试结果：垂直燃烧v-1级别，第一次续燃时间t1和第二次续燃时间t2分别为0s和13.0s。锥形量热仪测试结果显示，热释放速率的峰值为117.1kw/m2，总烟释放速率为163.0m2/m2。
实施例2
以所述复合材料的总质量为100％计，各组分及质量百分含量如下：
乙烯-乙酸乙烯酯共聚物阻燃复合材料制备方法的具体步骤如下：
(1)将正硅酸乙酯与蒸馏水按1:6比例混合后，在搅拌条件下加入共溶剂乙醇，加入一水合氨调节ph为6，搅拌得到稳定透明的体系，即得溶胶。
(2)乙烯-乙酸乙烯酯共聚物在烘箱中烘干4h后，将乙烯-乙酸乙烯酯共聚物在双螺杆挤出机中熔融挤出，在挤出过程中通过料斗向熔体中加入溶胶，双螺杆挤出机的温度为100℃～140℃，喂料频率8rpm，主机频率为18rpm；挤出熔体经过风冷后，再通过造粒机造粒得到溶胶凝胶法反应挤出乙烯-乙酸乙烯酯共聚物/二氧化硅母粒。
(3)将乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、溶胶凝胶法反应挤出乙烯-乙酸乙烯酯共聚物/二氧化硅母粒、相容剂、水菱镁石、加工助剂先分别在烘箱中80℃烘4h后，再将其放在高混机中混合15min，将混合后的原料送入双螺杆挤出机喂料机中，双螺杆挤出机的温度为190℃～200℃，喂料频率10rpm，主机频率为20rpm；挤出熔体经过风冷后，再通过造粒机造粒；
(4)将粒料在60℃烘干3小时，再通过注塑机注塑成型，注塑机成型时各区段温度范围应为180℃～190℃。
测试结果：垂直燃烧v-0级别。氧指数为36.7％，锥形量热仪测试结果显示，热释放速率的峰值为97.2kw/m2，总烟释放速率为157.2m2/m2。
实施例3
以所述复合材料的总质量为100％计，各组分及质量百分含量如下：
乙烯-乙酸乙烯酯共聚物阻燃复合材料制备方法的具体步骤如下：
(1)将正硅酸乙酯与蒸馏水按1:6比例混合后，在搅拌条件下加入共溶剂乙醇，加入一水合氨调节ph为6，搅拌得到稳定透明的体系，即得溶胶。
(2)乙烯-乙酸乙烯酯共聚物在烘箱中烘干4h后，将乙烯-乙酸乙烯酯共聚物在双螺杆挤出机中熔融挤出，在挤出过程中通过料斗向熔体中加入溶胶，双螺杆挤出机的温度为130℃～140℃，喂料频率8rpm，主机频率为22rpm；挤出熔体经过风冷后，再通过造粒机造粒得到溶胶凝胶法反应挤出乙烯-乙酸乙烯酯共聚物/二氧化硅母粒。
(3)将乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、溶胶凝胶法反应挤出乙烯-乙酸乙烯酯共聚物/二氧化硅母粒、相容剂、氢氧化铝、三聚氰胺氰尿酸盐和加工助剂先分别在烘箱中80℃烘4h后，再将其放在高混机中混合15min，将混合后的原料送入双螺杆挤出机喂料机中，双螺杆挤出机的温度为190℃～200℃，喂料频率10rpm，主机频率为20rpm；挤出熔体经过风冷后，再通过造粒机造粒；
(4)将粒料在60℃烘干3小时，再通过注塑机注塑成型，注塑机成型时各区段温度范围应为180℃～190℃。
测试结果：垂直燃烧v-0级别。力学性能中断裂伸长率为79％。氧指数为38.1％，锥形量热仪测试结果显示，热释放速率的峰值为101.6kw/m2，总烟释放速率为155.7m2/m2。
实施例4
以所述复合材料的总质量为100％计，各组分及质量百分含量如下：
乙烯-乙酸乙烯酯共聚物阻燃复合材料制备方法的具体步骤如下：
(1)将正硅酸乙酯与蒸馏水按1:4比例混合后，在搅拌条件下加入共溶剂乙醇，加入硫酸调节ph为3.5，搅拌得到稳定透明的体系，即得溶胶。
(2)乙烯-乙酸乙烯酯共聚物在烘箱中烘干4h后，将乙烯-乙酸乙烯酯共聚物在双螺杆挤出机中熔融挤出，在挤出过程中通过料斗向熔体中加入溶胶，双螺杆挤出机的温度为100℃～140℃，喂料频率12rpm，主机频率为20rpm；挤出熔体经过风冷后，再通过造粒机造粒得到溶胶凝胶法反应挤出乙烯-乙酸乙烯酯共聚物/二氧化硅母粒。
(3)将乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、溶胶凝胶法反应挤出乙烯-乙酸乙烯酯共聚物/二氧化硅母粒、相容剂、氢氧化镁、蒙脱土、红磷和加工助剂先分别在烘箱中60℃烘4h后，再将其放在高混机中混合15min，将混合后的原料送入双螺杆挤出机喂料机中，双螺杆挤出机的温度为190℃～200℃，喂料频率10rpm，主机频率为20rpm；挤出熔体经过风冷后，再通过造粒机造粒；
(4)将粒料在60℃烘干3小时，再通过注塑机注塑成型，注塑机成型时各区段温度范围应为180℃～190℃。
测试结果：垂直燃烧v-0级别。力学性能中断裂伸长率为69％。氧指数为39.4％，锥形量热仪测试结果显示，热释放速率的峰值为88.1kw/m2，总烟释放速率为201.2m2/m2。
实施例5
以所述复合材料的总质量为100％计，各组分及质量百分含量如下：
乙烯-乙酸乙烯酯共聚物阻燃复合材料制备方法的具体步骤如下：
(1)将正硅酸乙酯与蒸馏水按1:6比例混合后，在搅拌条件下加入共溶剂乙醇，加入催化剂调节ph为3，搅拌得到稳定透明的体系，即得溶胶。
(2)乙烯-乙酸乙烯酯共聚物在烘箱中烘干4h后，将乙烯-乙酸乙烯酯共聚物在双螺杆挤出机中熔融挤出，在挤出过程中通过料斗向熔体中加入二氧化硅前驱体溶胶，双螺杆挤出机的温度为100℃～140℃，喂料频率12rpm，主机频率为18rpm；挤出熔体经过风冷后，再通过造粒机造粒得到溶胶凝胶法反应挤出乙烯-乙酸乙烯酯共聚物/二氧化硅母粒。
(3)将乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、溶胶凝胶法反应挤出乙烯-乙酸乙烯酯共聚物/二氧化硅母粒、相容剂、水滑石、三聚氰胺聚磷酸盐、硅灰石和加工助剂先分别在烘箱中80℃烘4h后，再将其放在高混机中混合15min，将混合后的原料送入双螺杆挤出机喂料机中，双螺杆挤出机的温度为190℃～200℃，喂料频率10rpm，主机频率为20rpm；挤出熔体经过风冷后，再通过造粒机造粒；
(4)将粒料在60℃烘干3小时，再通过注塑机注塑成型，注塑机成型时各区段温度范围应为180℃～190℃。
测试结果：垂直燃烧v-0级别。力学性能中断裂伸长率为75％。氧指数为36.9％，锥形量热仪测试结果显示，热释放速率的峰值为94.2kw/m2，总烟释放速率为149.1m2/m2。
实施例6
以所述复合材料的总质量为100％计，各组分及质量百分含量如下：
乙烯-乙酸乙烯酯共聚物阻燃复合材料制备方法的具体步骤如下：
(1)将正硅酸乙酯与蒸馏水按1:4比例混合后，在搅拌条件下加入共溶剂乙醇，加入催化剂调节ph为3，搅拌得到稳定透明的体系，即得溶胶。
(2)乙烯-乙酸乙烯酯共聚物在烘箱中烘干4h后，将乙烯-乙酸乙烯酯共聚物在双螺杆挤出机中熔融挤出，在挤出过程中通过料斗向熔体中加入二氧化硅前驱体溶胶，双螺杆挤出机的温度为100℃～140℃，喂料频率10rpm，主机频率为20rpm；挤出熔体经过风冷后，再通过造粒机造粒得到溶胶凝胶法反应挤出乙烯-乙酸乙烯酯共聚物/二氧化硅母粒。
(3)将乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、溶胶凝胶法反应挤出乙烯-乙酸乙烯酯共聚物/二氧化硅母粒、相容剂、水镁石、坡缕石和加工助剂先分别在烘箱中80℃烘4h后，再将其放在高混机中混合15min，将混合后的原料送入双螺杆挤出机喂料机中，双螺杆挤出机的温度为190℃～200℃，喂料频率10rpm，主机频率为20rpm；挤出熔体经过风冷后，再通过造粒机造粒；
(4)将粒料在60℃烘干3小时，再通过注塑机注塑成型，注塑机成型时各区段温度范围应为180℃～190℃。
测试结果：垂直燃烧v-0级别。氧指数为37.4％，锥形量热仪测试结果显示，热释放速率的峰值为108.6kw/m2，总烟释放速率为177.2m2/m2。
实施例7
以所述复合材料的总质量为100％计，各组分及质量百分含量如下：
乙烯-乙酸乙烯酯共聚物阻燃复合材料制备方法的具体步骤如下：
(1)将正硅酸乙酯与蒸馏水按1:4比例混合后，在搅拌条件下加入共溶剂乙醇，加入催化剂调节ph为7，搅拌得到稳定透明的体系，即得溶胶。
(2)乙烯-乙酸乙烯酯共聚物在烘箱中烘干4h后，将乙烯-乙酸乙烯酯共聚物在双螺杆挤出机中熔融挤出，在挤出过程中通过料斗向熔体中加入二氧化硅前驱体溶胶，双螺杆挤出机的温度为100℃～140℃，喂料频率8rpm，主机频率为18rpm；挤出熔体经过风冷后，再通过造粒机造粒得到溶胶凝胶法反应挤出乙烯-乙酸乙烯酯共聚物/二氧化硅母粒。
(3)将乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、溶胶凝胶法反应挤出乙烯-乙酸乙烯酯共聚物/二氧化硅母粒、相容剂、氢氧化铝、海泡石和加工助剂先分别在烘箱中80℃烘4h后，再将其放在高混机中混合15min，将混合后的原料送入双螺杆挤出机喂料机中，双螺杆挤出机的温度为190℃～200℃，喂料频率10rpm，主机频率为20rpm；挤出熔体经过风冷后，再通过造粒机造粒；
(4)将粒料在60℃烘干3小时，再通过注塑机注塑成型，注塑机成型时各区段温度范围应为180℃～190℃。
测试结果：垂直燃烧v-0级别。氧指数为38.1％，锥形量热仪测试结果显示，热释放速率的峰值为113.3kw/m2，总烟释放速率为142.5m2/m2。
对比例1
一种乙烯-乙酸乙烯酯共聚物阻燃复合材料，以所述复合材料的总质量为100％计，各组分及质量百分含量如下：
乙烯-乙酸乙烯酯共聚物阻燃复合材料制备方法的具体步骤如下：
(1)将乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、相容剂、氢氧化铝、抗氧剂和硅酮粉先分别在烘箱中80℃烘4h，再一起加入到高混机，高速搅拌15min；
(2)将混合后的原料送入双螺杆挤出机喂料机中，双螺杆挤出机的温度为190℃～200℃，喂料频率10rpm，主机频率为20rpm；然后，经过风冷后，再通过造粒机造粒；
(3)将粒料在60℃烘干3小时，再通过注塑机注塑成型，注塑机成型时各区段温度范围应为180℃～190℃。
测试结果：垂直燃烧无级别，第一次续燃时间t1和第二次续燃时间t2分别为0s和35.0s。力学性能中断裂伸长率为83％。氧指数为33.0％，锥形量热仪测试结果显示，热释放速率的峰值为144.2kw/m2，总烟释放速率为436.4m2/m2。
对比例2
一种乙烯-乙酸乙烯酯共聚物阻燃复合材料，以所述复合材料的总质量为100％计，各组分及质量百分含量如下：
乙烯-乙酸乙烯酯共聚物阻燃复合材料制备方法的具体步骤如下：
(1)将乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、相容剂、氢氧化铝、气相二氧化硅、抗氧剂和硅酮粉先分别在烘箱中80℃烘4h，再一起加入到高混机，高速搅拌15min；
(2)将混合后的原料送入双螺杆挤出机喂料机中，双螺杆挤出机的温度为190℃～200℃，喂料频率10rpm，主机频率为20rpm；挤出熔体经过风冷后，再通过造粒机造粒；
(3)将粒料在60℃烘干3小时，再通过注塑机注塑成型，注塑机成型时各区段温度范围应为180℃～190℃。
测试结果：垂直燃烧v-1级别，第一次续燃时间t1和第二次续燃时间t2分别为0s和24.0s。氧指数为37.0％，锥形量热仪测试结果显示，热释放速率的峰值为135.0kw/m2，总烟释放速率为391.4m2/m2。
对照对比例和各个实施例可以看出，相比于添加气相二氧化硅，使用溶胶凝胶法在eva加工过程中原位生成二氧化硅的实施例热释放速率峰值和烟释放速率均有明显降低，说明原位生成的二氧化硅在复合材料中分散性能更好，与基体相互作用更强，在燃烧过程中能够更加有效地改善凝聚相成炭行为，提高材料的阻燃性能。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。